液壓系統(tǒng)脈動衰減器的特性分析.pdf

1、液壓系統(tǒng)向高壓、大流量發(fā)展，其噪聲與壓力脈動越來越嚴重。減小壓力脈動是液壓系統(tǒng)降低其振動和噪聲的有效手段之一。科學(xué)家和工程師們自19世紀(jì)就開始研究流體動力系統(tǒng)的壓力脈動，開發(fā)出多種降低壓力脈動的裝置。然而，隨著液壓系統(tǒng)的發(fā)展，壓力脈動衰減器向小型化、寬頻化、主動式和集成化方向發(fā)展，同時也帶來了一些新的問題。衰減器的結(jié)構(gòu)需要改變才能同時滿足小型化和寬頻化，這時，傳統(tǒng)的分析模型已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在的發(fā)展需求。
　　 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展

2、，數(shù)值分析已經(jīng)成為科學(xué)研究和工程設(shè)計中重要的分析方法之一。CFD(Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學(xué))及可視化后處理技術(shù)是分析液壓元件中流體流動的關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)使研究人員能夠看到在實際工作中無法觀察的現(xiàn)象。CFD技術(shù)已經(jīng)在泵、閥的性能優(yōu)化中發(fā)揮著重要的作用。將這些技術(shù)運用于脈動衰減器的性能分析，必能使衰減器的開發(fā)前進一大步。因此，論文主要研究脈動衰減器的頻率特性數(shù)值分析方法，并將其應(yīng)用到典型脈動

3、衰減器及異形脈動衰減器的特性分析，主要內(nèi)容如下：
　　 首先，論文詳述了脈動衰減器頻率特性的數(shù)值計算方法。利用流體動力學(xué)基本方程，在開源且面向?qū)ο蟮腃FD軟件OpenFOAM中對三維的管路和衰減器進行瞬態(tài)計算。M序列的壓力或流速信號作為輸入的脈動信號作用于脈動衰減器系統(tǒng)的入口邊界。提出了計算瞬態(tài)周期性邊界條件問題的穩(wěn)定判據(jù)以判斷計算是否收斂及穩(wěn)定，建立了計算流程。通過傅立葉變換及Shannon采樣定理把時域和頻域聯(lián)系起來，并使參

4、數(shù)協(xié)調(diào)以便能夠準(zhǔn)確地計算脈動衰減器的特性。利用Holmboe和Rouleau所做的水擊實驗對數(shù)值分析的基本模型進行了驗證，同時利用經(jīng)典分布參數(shù)模型對管道頻率特性的數(shù)值計算結(jié)果進行了評估。結(jié)果說明數(shù)值分析方法是有效的和準(zhǔn)確的。
　　 其次，討論了管道頻率特性的影響因素。通過數(shù)值模擬得出：粘度的變化對管道的共振頻率影響甚??；當(dāng)粘度降低時，共振頻率處的幅值則升高。流體中混入氣體會大大降低流體中的壓力波速，從而降低其共振頻率。平均壓力對

5、管道的頻率特性幾乎沒有影響，同時M序列壓力峰-峰值對管道頻率特性影響很小，但是峰-峰值增加會使輸出壓力和流量波動的峰-峰值增加。平均流速也對管道頻率特性的影響甚小，而且M序列流速的峰-峰值對管道的頻率特性也幾乎沒有影響，但也會增加輸出壓力和流速的峰-峰值。減小管道直徑會小幅度降低管道的共振頻率。
　　 再次，分析了單腔(一級)脈動衰減器的特性。利用集中參數(shù)模型討論了衰減器的結(jié)構(gòu)對其頻率特性的影響。通過對不同共振腔截面形狀的衰減器

6、進行數(shù)值分析，包括正方形、長方形及橢網(wǎng)形，可得：共振腔截面形狀對衰減器的頻率特性影響甚小。用階躍壓力信號對不同共振腔直徑的衰減器進行了計算，結(jié)果表明：共振腔直徑過小時，主管路會有過高或過低的壓力，加劇了流體脈動；共振腔直徑過大，主管路會出現(xiàn)過低的壓力；所以，應(yīng)當(dāng)避免突變壓力沖擊。另外，對不同共振腔直徑一長度比(其容積相同)的衰減器進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：當(dāng)共振腔直徑-長度比減小時，衰減器的共振頻率在一定值以下就會逐漸降低。因此，如果使

7、用小的共振腔體積及小的直徑-長度比的衰減器，同樣可以達到與較大共振腔體積和較大直徑-長度比的衰減器的共振頻率。通過對兩個小型的衰減器進行計算，結(jié)果表明小的衰減器也可以達到同樣的共振頻率，但是衰減的幅度有所下降。對連接部為錐形結(jié)構(gòu)的衰減器進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明錐形頸部結(jié)構(gòu)能提高衰減器的共振頻率。對非對稱圓形和橢圓形共振腔的衰減器進行數(shù)據(jù)模擬，結(jié)果表明，非對稱布置共振腔會小幅度降低衰減器的共振頻率。通過實驗證明，衰減器對壓力脈動的衰減是有效

8、的，同時也能夠有效地降低噪聲。
　　 第四，對多腔(多級)脈動衰減器進行了理論分析和數(shù)值分析。利用集中參數(shù)模型推出了兩腔(二級)串聯(lián)脈動衰減器共振頻率的計算方法，與分布參數(shù)法相比誤差很小。通過對非對稱及對稱圓形共振腔的衰減器進行計算，說明非對稱結(jié)構(gòu)也可以降低二級脈動衰減器的固有頻率。三腔串聯(lián)衰減器有三個共振頻率，但第三共振頻率處的幅值小于0 dB，說明在這個頻率上幾乎沒有衰減效果。然而，并聯(lián)衰減器的總衰減特性是單個衰減器單獨作用

9、時衰減特性的線性組合，所以并聯(lián)衰減器的性能可擴展性強而且在多個頻率上的衰減效果明顯。
　　 最后，討論了異形結(jié)構(gòu)脈動衰減器的特性。對異形衰減器的分析說明，CFD分析方法具有很好的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性。對螺旋形結(jié)構(gòu)和之字形結(jié)構(gòu)的分析說明，異形結(jié)構(gòu)非常利于衰減器的小型化、集成化設(shè)計。對附加連接管道的之字形結(jié)構(gòu)和多管道并聯(lián)結(jié)構(gòu)脈動衰減器的分析說明，在衰減器的管道上添加輔助連接管道，可改善衰減器的頻率特性、實現(xiàn)衰減器的寬頻化。這些分析表明異形結(jié)構(gòu)